Tecnología espacial de detección de CH4 mediante infrarrojo de onda corta: proporcionando apoyo científico y tecnológico a la estrategia de desarrollo sostenible y con bajas emisiones de carbono de China.

El Sexto Informe de Evaluación Integrada, publicado por el Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) en marzo de 2023, indicó que la temperatura superficial global entre 2011 y 2020 fue 1,1 °C superior a los niveles preindustriales (1850-1900). Las emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de actividades humanas como la combustión de combustibles fósiles y el uso del suelo han contribuido indudablemente al calentamiento global. En los últimos años, los fenómenos meteorológicos y climáticos extremos, como las altas temperaturas, las sequías y las lluvias torrenciales, se han vuelto más frecuentes e intensos, planteando serios desafíos para el desarrollo sostenible de la futura sociedad humana. El monitoreo preciso de las concentraciones, fuentes y tendencias de los gases de efecto invernadero es fundamental para las estadísticas y la contabilidad de las emisiones de estos gases. En comparación con los métodos tradicionales de monitoreo terrestre, la teledetección satelital ofrece ventajas únicas como alta resolución, amplia cobertura, cortos periodos de revisita y datos dinámicos continuos, lo que proporciona datos fundamentales y de alta precisión para el monitoreo global, nacional y regional de los gases de efecto invernadero.

△Emisiones globales de metano de origen antropogénico y proporción de las emisiones de metano de los principales países, 1970–2021

La tecnología de detección espacial de CH4 mediante infrarrojo de onda corta se está desarrollando rápidamente.

Para obtener información sobre la distribución espaciotemporal y la variación de la concentración de CH4 cerca de la superficie, la tecnología de detección espacial de CH4 mediante infrarrojo de onda corta se ha desarrollado rápidamente en los últimos años. Se han lanzado múltiples satélites de detección de infrarrojo de onda corta, tanto a nivel nacional como internacional, realizando una serie de estudios de detección de CH4 y aplicaciones relacionadas, logrando así la detección de CH4 desde el espacio. Los satélites experimentales científicos lanzados durante este período han impulsado el desarrollo de algoritmos de inversión de teledetección satelital de CH4 y algoritmos de inversión de flujo, sentando las bases tecnológicas para mejorar las capacidades de detección espacial, generar productos de datos y aplicarlos directamente. Además, han demostrado el potencial de aplicación de la detección por infrarrojo de onda corta en la estimación del balance global de fuentes y sumideros de CH4 desde las perspectivas de la precisión de los datos de detección y la estimación del flujo.

La mayoría de los satélites de detección de CH4 existentes se centran en experimentos científicos de detección de CH4 en la banda infrarroja de onda corta, logrando un avance significativo en este campo. Gracias a estas detecciones satelitales, la tecnología de detección de CH4 en infrarrojo de onda corta, los algoritmos de inversión y los algoritmos de asimilación de flujo se han desarrollado rápidamente. La madurez y aplicación de estos algoritmos han incrementado las exigencias en cuanto a la cobertura espaciotemporal y la precisión de los datos de la detección de CH4 desde el espacio. Para satisfacer las necesidades de datos de la investigación científica, varios satélites de detección de CH4 se encuentran actualmente en fase de planificación y se incorporarán a la flota de detección espacial en el futuro.

Tendencias de desarrollo de los sistemas espaciales de detección de CH4

Para satisfacer las necesidades estratégicas del inventario global de carbono y la neutralidad de carbono, y para abordar las dos cuestiones científicas clave del monitoreo dinámico de las emisiones de CH4 y la estimación de flujos a diferentes escalas, los satélites de detección de CH4 deben proporcionar información sobre los cambios en la concentración de CH4 a escalas locales y regionales, distinguiendo entre fuentes y sumideros. El Sistema Global de Observación del Clima propone que los objetivos específicos de la misión para la detección de gases de efecto invernadero mediante satélites cumplan con una resolución espacial de 5 a 10 km, una resolución temporal de 4 horas y una precisión de detección de CH4 de 10 ppb. Dadas las capacidades técnicas actuales de las misiones satelitales de detección de CH4, un solo satélite que utilice un solo método de detección no puede completar una misión de detección global, y los satélites que utilizan diferentes métodos de detección tienen objetivos distintos. Para satisfacer las necesidades de detección e investigación a diferentes escalas, es necesario construir un sistema de constelación para la detección coordinada mediante una combinación de métodos de detección activos y pasivos, y enfoques de órbita terrestre alta y baja. Al aplicar de forma integral los resultados de detección de múltiples satélites, se puede brindar apoyo científico para evaluar la eficacia de las medidas de reducción de emisiones relacionadas con la neutralidad de carbono y para los planes de inventario global de carbono. Los resultados de detección de alta precisión dependen principalmente de datos espectrales de alta resolución y alta relación señal-ruido. Las investigaciones existentes indican que cuando la relación señal-ruido en el infrarrojo de onda corta es superior a 300 y la resolución espectral es superior a 0,1 nm, la precisión de los productos de datos XCH4 obtenidos mediante el algoritmo de inversión totalmente físico puede controlarse dentro de 10 ppb.

Actualmente, la observación mediante redes satelitales es un medio eficaz para lograr una detección global eficiente. Dadas las diferentes características de detección de los distintos tipos de satélites, planificar la operación de cada uno para maximizar su capacidad de detección y lograr una cobertura espaciotemporal global para la detección de CH4 es una tarea compleja. Bajo la premisa de la observación mediante redes satelitales, los satélites geoestacionarios se utilizan para monitorear regiones globales clave a escala continental, mientras que la detección rutinaria y la detección dirigida mediante satélites en órbita heliosíncrona se utilizan para realizar detecciones repetidas en áreas sensibles a las emisiones. Combinada con la detección activa mediante lidar, se conforma una red de detección espacial de amplia cobertura y alta puntualidad, que proporciona datos de detección precisos con resolución espaciotemporal global para la estimación del balance de CH4 y el monitoreo de emisiones.

Tendencias de desarrollo de algoritmos de inversión de alta precisión para CH4 en el espacio

Para lograr resultados de inversión de alta precisión, los algoritmos de física completa requieren múltiples cálculos del proceso de transferencia radiativa atmosférica, lo que consume un tiempo y recursos computacionales significativos. Las futuras misiones satelitales de detección de CH4 acumularán enormes cantidades de datos espectrales. El procesamiento de estos datos masivos y la habilitación de operaciones satelitales operativas requieren una mayor eficiencia en la inversión de datos; por lo tanto, los cálculos de inversión rápidos y precisos son cuestiones críticas que deben abordarse con urgencia. Debido a que los algoritmos de inversión suelen emplear modelos relativamente simples para simplificar el proceso de cálculo e introducen errores de modelo, la precisión de los productos de datos de inversión varía considerablemente bajo diferentes condiciones superficiales y atmosféricas. Los estudios sobre la precisión de XCH4 obtenidos a partir de diferentes algoritmos de inversión también indican que los resultados de XCH4 para superficies cubiertas de hielo a menudo presentan un sesgo significativo, que probablemente esté relacionado con el propio sistema de inversión. Esto requiere la actualización y optimización del modelo de reflectancia superficial dentro del sistema de inversión. Debido al bajo albedo de la superficie oceánica, la detección de CH4 sobre el océano todavía sufre errores sustanciales, lo que causa una incertidumbre significativa en la estimación de los procesos de intercambio aire-mar y el flujo de CH4 oceánico. Las investigaciones actuales indican que las emisiones marinas de CH4 se originan principalmente en aguas costeras poco profundas. Obtener una distribución precisa de la concentración de CH4 en zonas costeras es crucial para mejorar la estimación del flujo de CH4 marino. Por lo tanto, es fundamental seguir desarrollando y perfeccionando los métodos de inversión de teledetección satelital de CH4 en zonas costeras.

Además, la futura detección global de CH4 con alta resolución espaciotemporal se logrará principalmente mediante redes satelitales. El rendimiento de los detectores de diferentes tipos de satélites puede variar significativamente, incluyendo la resolución espaciotemporal y espectral, la relación señal-ruido, etc. Los diferentes algoritmos de inversión también emplean distintos esquemas de evaluación de errores e incertidumbre, lo que limita la validación cruzada de los productos de datos y su aplicación integral en estudios como la estimación de flujos. Para satisfacer las necesidades de aplicación de datos de la detección espacial de CH4 con el objetivo de la neutralidad de carbono, es necesario establecer un sistema estandarizado de evaluación de la calidad de los datos que proporcione orientación científica para la aplicación integral de los datos de detección espacial.

Tendencia de desarrollo de la inversión del flujo de CH4

La inversión del flujo de CH4 basada en la asimilación de datos es un método crucial para validar los inventarios de emisiones de CH4. Utiliza principalmente datos de concentración atmosférica de CH4 provenientes de observaciones terrestres y satelitales, combinados con modelos de transporte químico atmosférico globales y regionales para estimar las emisiones. Investigaciones previas indican que los flujos de CH4 en los humedales tropicales son más intensos que antes, y el deshielo del permafrost en latitudes altas también ha acelerado la liberación de CH4; ambas regiones proporcionan información importante sobre el cambio climático. Sin embargo, debido a la baja eficiencia de detección de los satélites actuales a escala local y la escasa distribución de las estaciones de observación terrestres, la cantidad de datos observacionales efectivos para estas importantes regiones fuente de CH4 es insuficiente, lo que genera incertidumbres significativas en la estimación del flujo. La combinación de las ventajas de una amplia cobertura satelital y la alta precisión de los datos terrestres puede proporcionar una base de datos sólida para la estimación precisa de los flujos regionales de CH4. Además, los modelos actuales de transporte químico atmosférico de malla gruesa presentan errores significativos en la escala espacial, los procesos de transporte y las simulaciones de mecanismos químicos, lo que genera discrepancias sustanciales entre los resultados de la inversión del flujo de CH4 y las observaciones reales, limitando gravemente nuestra comprensión de las características de distribución de fuentes y sumideros de CH4. Para cumplir con los requisitos de los cálculos de flujo que abarcan escalas locales y nacionales, los modelos de transporte químico atmosférico deberían establecer esquemas multimodelos que incluyan escalas globales, mesoescala, urbanas y de fuentes puntuales, construir esquemas de corrección de errores del modelo, lograr una estimación precisa de los flujos de CH4 en diferentes escalas y respaldar la verificación del inventario de emisiones en diferentes escalas espaciales.

La reducción de emisiones en industrias como la petroquímica y la de petróleo y gas es fundamental para alcanzar la neutralidad de carbono. El monitoreo y la cuantificación dinámicos de CH4, basados ​​en la detección espacial de alta resolución espaciotemporal, requieren el apoyo de métodos rápidos de identificación de plumas de CH4 y estimación de emisiones. Actualmente, debido a las limitaciones en la eficiencia computacional de los algoritmos de inversión, la detección de plumas de CH4 mediante infrarrojo de onda corta no permite la extracción rápida de anomalías de emisión. La combinación de detección multibanda y métodos de redes neuronales para analizar las características espectrales de la detección puede acelerar la identificación de plumas de CH4 y la estimación de emisiones hasta cierto punto. Además, la estimación de emisiones de plumas de CH4 se ve significativamente afectada por las incertidumbres en la velocidad y dirección del viento regional. Refinar aún más el modelo y reducir las incertidumbres en el modelo, el campo de viento y los datos de observación satelital es también una cuestión crítica que debe abordarse con urgencia.

Actualmente, en China existen relativamente pocos satélites e investigaciones relacionadas con la detección de CH4. Como herramienta fundamental para fundamentar conclusiones científicas, la detección espacial está relacionada con el progreso hacia el logro de los objetivos de neutralidad de carbono y la influencia de China en las negociaciones internacionales. Por lo tanto, es necesario desarrollar capacidades de detección de CH4 desde el espacio para lograr una alta resolución espaciotemporal y una alta precisión en el monitoreo tridimensional de la concentración atmosférica de CH4, así como construir un sistema de aplicación satelital que integre la detección, el análisis de datos y la contabilidad, para brindar apoyo tecnológico espacial a la estrategia de desarrollo sostenible y bajo en carbono de China.

Fuente del contenido:

Análisis del estado actual y las tendencias de desarrollo de los satélites de observación de metano atmosférico orientados a la neutralidad de carbono y al pico de carbono en mi país.

Yao Lu, Yang Dongxu, Cai Zhaonan, Zhu Sihong, Liu Yi, Deng Jianbo, Tian Longfei, Yin Zengshan, Lu Naimeng